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電氣大時代

精選系列: 小點子。大改變 作者: 木頭 最後更新: 02/08/2022

電力照明在現代社會不可或缺,試想想:如果有天晚上發生停電,四周漆黑一片,樓宇、商場、街燈、交通燈霎時熄滅,你會怎樣做?現代人或許有智能電話中的電筒,總不會伸手不見五指,但你又想過未有電力照明工具前的人們是怎樣生活的嗎?今天,就讓我們一起看看電燈的發明故事吧!

愛迪生不是發明電燈的人?

有「發明大王」之稱的愛迪生一生的確有許多發明,包括留聲機、複印機、電影攝影機等,但你知道他並非第一位發明電燈的人嗎?

 在未有電燈之前,人們使用蠟燭、煤氣燈、油燈等照明。早在工業革命(1760年代)起,人們便知道電流通過特定物料就能產生光,卻礙於沒有電池為這些物料供應穩定的電流,電燈的發展曾停滯不前。隨着多名發明家的努力,創造並研發了電池、合適的物料、真空技術和發電機,人類逐漸邁向電燈帶來的光明。

科學家史普格爾發明的水銀真空泵,將燈泡真空,減低燈絲燒壞的機會 By Augustin Privat Deschanel 

 

愛迪生從小已對機械有濃厚興趣,在發明電燈之前,他已發明即時股票報價機,並改良了不少跟電報機相關的機器。在成立公司後,他以「十天一小發明,半年一大發明」為目標。在1878年,愛迪生見識了萊華士與法默發明的弧光燈,開始立志研究電燈。最後,愛迪生的團隊在改良前人燈泡的結構及嘗試過一千多種物料後,成功利用竹炭絲為燈絲,製作出可以持續發亮1400小時的白熾燈燈泡。愛迪生因此成為令燈泡普及的人。

愛迪生

 

愛迪生試驗中的碳絲燈泡 by William J. Hammer 

 

 

直流電、交流電之爭

愛迪生是一個目光遠大的人,他不只希望發明一個燈泡,亦不只希望讓有小型發電機的地方應用燈泡,他希望發明讓大量燈泡運作的供電網絡。首先,他以並聯電路解決了串聯電路衍生的問題:過去串聯電路的其中一個燈泡壞了,電路就會斷掉令全部燈泡熄滅,而使用像梯子一樣的並聯電路,電就可以沿着獨立的階梯傳送,即使多個燈泡壞掉也不會影響整個電路。

串聯電路(左);並聯電路(右)

 

延伸閱讀:

影片「STEM Sir 趣味教室 - 並聯和串聯電路」

 

愛迪生公司開拓的直流電系統成功將整個曼哈頓點亮,而人們只需支付跟過去煤氣燈相若的價錢。而且,愛迪生致力設計出安全絕緣的電線,不論人們碰到電線任何一部分甚至發電機把手,都不會遭到嚴重電擊。可是,愛迪生的直流電發電站的供電範圍只有半英里遠。要把電傳到更遠的地方,電導線不但會更熱,電阻亦會相應增加,因此需要使用更粗或更貴的銅線。

愛迪生公司的工程人員將直流電電線鋪設在美國紐約珍珠街的地下 by W. P. Snyder 

 

 

愛迪生的公司聘請的一名年輕人特斯拉帶來了答案。據說特斯拉生於一個雷電交加的暴風雨夜中,隨着一聲雷鳴而生,這彷彿預示了他一生對電學的貢獻。特斯拉利用空餘時間發明了交流電驅動的摩打,利用兩個迴路解決了傳統摩打受整流器及電刷所設的限制,使摩打中的零件不易磨損。特斯拉向老闆愛迪生建議將交流發電機引進中央發電站,除了可突破直流電供電的距離限制,配合交流感應摩打,供電系統還有可能拓展至照明以外的用途。可是,愛迪生堅信自己的直流電系統,勸特斯拉不要浪費時間。即使建議未獲認可,特斯拉亦堅守本分,為公司發明及改良了很多機器和裝備,可惜仍遭經理拒絕加薪要求;愛迪生也背信,沒有就他的發明給他獎金。最後,特斯拉黯然離開愛迪生公司,自己建立公司研發交流電系統。

特斯拉 by Martin van Meytes 

 

不久,特斯拉的交流電系統普遍獲工程界賞識,亦有具影響力的報章記者為他撰稿宣傳,使特斯拉越來越有名氣。加上另一供電界奇才喬治‧西屋發明的交流電變壓器,二人的生意威脅到愛迪生在供電界的地位。愛迪生於是聯同支持他的報章,借助電工遭交流電電死的新聞,大肆宣揚交流電的危機,指交流電不適合民用。特斯拉沒有理會這些新聞,竭力完善交流電系統,最終交流電也成為供電的主流。

電氣工程師布朗在愛迪生的實驗室中展示交流電電擊的危險 by New York Medico-Legal Journal 

 

如何以專利保護自己的發明?

專利是指政府賦予發明者權利,禁止發明者外的人在某段時期內製造、使用、售賣有關發明,以保護發明者的貢獻。專利制度在15世紀於威尼斯建立時,大量工匠得知當地保護他們獨一無二的工藝,而湧到威尼斯發展。17世紀時,現代專利制度也在歐美等地確立,為之後的工業革命奠定基礎。

到了工業革命及愛迪生等人身處的電氣時代,專利除了肯定發明者的貢獻,還允許他們利用獨家發明圖利,讓他們變得富有,從而鼓勵整個社會創造更多發明。1887年,專利局要求特斯拉就某項公共汽車的專利申請作進一步分類,特斯拉最後一共分類並申請40多項專利,包括他整個交流電系統及革命性的感應摩打。特斯拉亦因專利而有資金創造更多發明。

特斯拉為電磁摩打申請專利的說明書 by Oxyman 

 

特斯拉的無線電燈

在1890年代,儘管特斯拉的交流電系統已應用甚廣,他仍堅持不懈研究,希望開發全新的燈泡。特斯拉除了研發出只有一圈燈絲的電燈泡,還在不同的演說中展示沒有連接任何電線或機器的無線燈泡、燈管。

特斯拉在大學演說中展示兩支無線燈管 by W. J. Johnson Co.(1891) 

 

不論他走到哪裏,無線燈泡的光芒仍沒有減弱或熄滅。他對在場的人士解釋,這種無線燈泡電源來自特斯拉線圈輸出的高頻電波。特斯拉線圈能把電能轉化為高頻電波,推動電子進出燈泡。電子以空氣作媒介傳送,而非像傳統的燈泡利用電線傳輸。

特斯拉手執無線電燈 by McGraw-Hill Publishing Co. (1899) 

 

或許你會問,這些電波流經過人類的身體會有危險嗎?一般而言,若遭高壓電流經身體,的確非常危險。但是,特斯拉線圈產生的是高壓高頻電波,意即電波以極快的速度不斷啟動及關掉,這樣的電波只會在我們皮膚外面繞過,而不會通過我們的身體。

特斯拉在特斯拉線圈旁閱讀的合成相片by Wellcome Library, London 

 

今天,我們或許只消一根手指,甚至用聲控,便可點亮電燈。這些都是科學家多年來努力的成果,我們除了要加以欣賞,更要珍惜現有的便利,善用能源和科技。

 

電氣大時代

作者簡介
木頭
木頭

不多話,性格比較慢熱,但待朋友很好。愛塗鴉,喜歡動漫畫和電子遊戲,還喜歡一切神秘的東西。

關鍵字詞: 創意 |創新 |發明 |電燈 |照明 |電力 |電路 |物理學 |電流 |燈泡